21世纪以来, 随着社会经济的发展, 由CO2等温室气体排放引起的全球气候变化给人类生存和发展带来了严峻的挑战[1-2]。如何在确保经济持续增长的同时, 既减少化石燃料消耗所排放的CO2以及有效控制碳排放水平, 又能平稳地实现低碳转型, 成为社会各界关注的焦点。目前, 学术界关于经济增长与碳排放的关系研究主要集中在3个方面:一是利用环境库兹涅茨曲线(EKC)分析碳排放与经济增长之间的关系[3-5]; 二是利用协整分析、分解模型、生态足迹和脱钩理论等探讨经济发展与碳排放之间的静态相关性以及两者之间的耦合动态变化, 并解释导致这些关系或动态变化的因素[6-10]; 三是针对我国各区域社会经济发展水平、资源禀赋差异显著的现实, 分析碳排放的区域差异特征、空间格局变化及其影响机制[11-14]。近年来, 国内一些学者开始将重心理论运用到区域经济与环境污染物的演变研究中[15-19]。但目前国内外借助重心方法探讨碳排放与经济发展在空间上的演变及其相关性规律的报道还不多见, 而且现有研究也主要集中在国家层面, 省域尺度的研究较少。由于中国各区域自然禀赋、历史条件、经济和技术水平等迥异, 经济发展对碳排放的影响以及经济空间变化对碳排放格局的响应差异不仅体现在宏观层面, 还体现在各省、自治区和城市带内部, 且这种不均衡性随时间在不断变化, 从而使经济发展和碳排放重心处于变化之中。湖南是我国中部地区最早启动两型社会建设的区域, 又是国家产业转移的重要承接地, 快速的经济发展对环境状况的影响主要表现在碳排放的时空格局上[20-22], 碳排放重心的变化轨迹是区域经济与环境状况演变的最真实记录。笔者在收集能源消费与经济发展数据的基础上, 引入重心模型对湖南省碳排放与经济发展重心的时空动态演变以及相互关系进行分析, 揭示湖南省经济发展与碳排放的空间变化规律, 为湖南实现经济增长与推动低碳协调发展提供科学依据。
1 研究区域与数据来源湖南省位于我国中南部(24°08′~30°08′ N,108°47′~114°05′ E), 地处长江经济带腹地, 2014年全省人均GDP为3.5万元, 碳排放总量达2.09×108 t。以湖南省14个市为数据基本统计单元, 经济发展指标采用市域人均GDP, 碳排放量计算采用市域规模以上工业企业8种化石能源(原煤、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油和天然气)的终端消费量, 数据均源自2009—2015年湖南省及各市统计年鉴(因2008年以前湖南市域尺度的能源消费数据缺失),各中心城市的地理坐标源于《中国地名录》。
2 研究方法 2.1 碳排放估算基于2008—2014年终端能源消费量对湖南省各市域碳排放量进行估算, 具体计算方法以及采用的标准煤折算系数和碳排放系数参见文献[22]。
2.2 重心概念与重心模型重心指物体各部分所受重力产生合力的作用点, 在地理学中指区域内能够维持区域平衡的支撑点, 主要用于描述某种属性在某一时段内的空间变化及其趋势。重心模型可用重心坐标、重心偏移距离和方向等表征。假设某区域有n个子区域, 第i个子区域的中心坐标为pi(xi, yi), 属性值(如经济发展和碳排放)为mi, 则该区域某一属性的重心坐标Q(x, y)为
$ x=\sum{\left( {{m}_{i}}\times {{x}_{i}} \right)/\sum{{{m}_{i}}},} $ | (1) |
$ y = \sum {\left( {{m_i} \times {y_i}} \right)/\sum {{m_i}} } 。$ | (2) |
若各子区域属性值相等, 则计算所得的重心为该区域的几何中心。
偏心距离(Do)指区域某属性重心与几何中心的距离, 其测算公式为
$ {D_{\text{o}}} = c \times \sqrt {{{\left( {x - {x_{\text{o}}}} \right)}^2} + {{\left( {y - {y_{\text{o}}}} \right)}^2}} 。$ | (3) |
式(3) 中, c为地理坐标单位(度)转化为平面距离(km)的系数,取值111.11;(xo,yo)为区域几何中心的坐标。
重心移动距离与移动方向反映区域属性变化的轨迹及其在区域空间的活性, 计算公式分别为
$ {D_{a, b}} = c \times \sqrt {{{\left( {{x_b} - {x_a}} \right)}^2} + {{\left( {{y_b} - {y_a}} \right)}^2}}, $ | (4) |
$ {\theta _{a, b}} = 180{}^\circ \times k + {\text{arctg}}\left( {\frac{{{y_b} - {y_a}}}{{{x_b} - {x_a}}}} \right)。$ | (5) |
式(4)~(5) 中, a和b为不同年份; Da,b和θa, b分别为不同年份间重心的移动距离和移动角度, -180° < θa, b < 180°, 正东方向为0°, 逆时针方向为正, 反之为负; (xa, ya)和(xb, yb)分别为第a年与第b年某区域属性的重心坐标。重心移动角度(θ)与转移方向的对应关系如下:(0°, 90°), 东北方向;(90°,180°),西北方向;(-90°,0°),东南方向;(-180°,-90°),西南方向;0°或±180°,正东或正西方向;±90°, 正北或正南方向。
3 结果与分析 3.1 碳排放重心与经济发展重心的区位分析利用ArcGIS 10.2软件将由式(1) 计算出的湖南省碳排放重心与经济发展重心(表 1)作图(图 1)。从表 1和图 1可知, 2008—2014年, 碳排放重心位于27.734°~27.777° N, 112.301°~112.434° E之间, 经济发展重心在27.834°~27.851° N, 112.291°~112.326° E之间变化, 经济发展重心位于碳排放重心的西北方。以湖南省几何中心(27.59° N, 111.71° E)为参照, 碳排放重心与经济发展重心均偏离几何中心。其中, 经济发展重心大体呈团聚状分布, 且全部位于几何中心的东北方向且偏离中心较远, 表明湖南经济发展水平存在不均衡性, 东北部经济发展水平相对较高; 碳排放重心大体呈东西狭长型分布, 也全部处于区域几何中心的东部且偏离中心较远, 说明湖南省碳排放的东西差异较大, 碳排放较严重的区域仍主要集中在东部, 传统的经济发展方式有待转变。
由图 1可知, 湖南碳排放重心和经济发展重心的移动轨迹具有明显的阶段性, 并且各阶段划分的时间点大致相同。从碳排放重心移动的轨迹看, 2008—2010年, 快速大幅向西南移动; 2010—2011年, 急剧向东北移动; 2011—2014年,先向西南移动再快速偏向西北, 说明湖南碳排放重心格局易于波动, 且湖南西北部成为新的碳排放焦点。在经济发展重心方面, 其移动轨迹相对碳排放重心简单明晰, 总体上呈倾斜的“L”型。2008—2010年, 快速向西南移动, 表明西南部经济发展水平呈提升态势, 湖南经济发展的东西差异及南北差距在减小; 2010—2012年, 缓慢向东北移动, 表明湖南经济发展的东西及南北差距在拉大; 2012—2014年, 稳定向东南移动, 说明湖南经济发展的东西差异在拉大而南北差异有所减小。
3.3 碳排放重心与经济发展重心演变比较分析 3.3.1 在经纬度上的移动在经度方向上, 碳排放重心与经济发展重心的移动轨迹在2008—2010年具有明显的相似性, 两者重心均向低经度方向移动(图 2), 双尾检测的相关系数为0.99, 但在99%置信水平上不显著(因样本限制, 下同), 表明在此期间湖南西部的碳排放和经济发展增长迅速, 与东部的差距正在缩小。原因是“十一五”期间受国家西部大开发战略的实施和产业由东向西转移的政策驱动, 湖南西部地区经济在得到快速发展的同时, 碳排放的增长也快于其他地区。2010—2011年, 湖南东部碳排放急剧增长, 经济发展速度也开始与西部拉开差距; 2011—2014年, 碳排放重心与经济发展重心轨迹转移态势截然相反, 碳排放重心西部方向的驱动力持续增强, 而经济发展重心西部方向的驱动力持续减弱, 双尾检测的相关系数为-0.93, 但在99%置信水平上不显著。总体而言, 2008—2014年湖南碳排放重心在经度上呈现高—低—高—低的变化态势, 整体向低经度方向移动的趋势明显; 经济发展重心在经度上则呈现高—低—高的变化态势, 变化趋势不甚明显。
图 2显示, 在纬度方向上, 2008—2014年碳排放重心和经济发展重心互不相交, 且经济发展重心的纬度高于碳排放重心的纬度。具体来说, 2008—2010年, 经济发展重心和碳排放重心均向低纬度方向移动, 双尾检测的相关系数为0.97, 但在99%置信水平上不显著, 说明此期间湖南南部经济发展速度较快, 碳排放量也同步增长。2010—2011年, 湖南北部碳排放急剧增长, 但经济发展保持稳定。2011—2014年, 经济发展重心除小幅向低纬度移动外, 基本趋于稳定, 表明湖南经济发展的南北差距在缩小但北部快于南部的状况仍未改变; 碳排放重心在此期间波动较大, 并有明显向高纬度移动的趋势, 与经济发展重心的相关系数为-0.91, 但在99%置信水平上不显著, 说明湖南北部碳排放增长较快, 南北差距继续拉大。总体而言, 2008—2014年湖南碳排放重心在纬度上呈高—低—高的变化态势, 而经济发展重心则向低纬度移动。
3.3.2 重心移动方向与距离在移动方向上, 2008—2014年碳排放重心整体移动角度为177.96°, 总体向西偏北移动。按坐标方位角计算, 碳排放重心偏西移动的频率最高, 在6次移动过程中, 向西南和西北方向共移动了5次, 移动频率为83.3%, 向东北方向移动1次(表 1), 表明湖南西南部和西北部碳排放比例不断上升。就经济发展重心而言, 2008—2014年整体移动角度为-177.95°, 即总体向西偏南移动, 表明湖南西南部市域经济增长强劲, 经济地位在加强。在6次移动过程中, 经济发展重心向西南、东北和东南3个方向各移动了2次(表 1), 移动频率均为33.3%, 这意味着经济发展重心的未来变化具有一定的不确定性。
在移动距离上, 碳排放重心从2008年的27.773° N,112.434° E移动到2014年的27.777° N,112.301° E, 直线移动距离为14.73 km, 东西方向上的直线移动距离为14.72 km, 南北方向上的直线移动距离为0.52 km, 说明碳排放重心的移动主要是由经向上的碳排放变化引起的。从表 1的碳排放重心移动距离可以看出, 2008—2011年碳排放重心移动最为剧烈, 移动距离占总偏移距离的57.09%, 年均移动距离达5.31 km; 2011—2013年移动距离较小, 只占总移动距离的19.46%;2013—2014年移动距离占总移动距离的23.43%, 这说明湖南碳排放重心由急剧变动趋于缓和,之后再转向强烈波动。经度上碳排放重心最大年际移动距离为6.42 km, 纬度上最大年际移动距离为2.95 km(表 1)。由此可见, 碳排放重心在东西方向上的变幅比南北方向大(表 2), 说明湖南碳排放差距主要体现在东西方向上。2008—2014年, 经济发展重心直线移动距离为2.05 km。在6 a的移动过程中, 2008—2010年实际移动距离较大(表 1), 占总移动距离的57.98%, 年均移动距离为2.08 km, 说明在此期间湖南经济发展差距加大; 2010—2014年间, 除2012—2013年出现突增值外, 其他年份均波动较小, 年均移动距离为1.01 km, 表明2010年之后湖南经济发展差距在缩小。从经纬度上看, 经济发展重心在经度上的最大年际移动距离为2.44 km, 在纬度上的最大移动距离为0.99 km, 表明经济发展重心在经度上的移动幅度大于在纬度上的移动幅度, 说明经济发展差距的扩大也主要发生在东西方向上, 但这并不意味着南北方向上的经济发展差距很小或者不重要。
总体而言, 碳排放重心与经济发展重心的偏移主要体现在经度方向上, 并且经济发展重心的变化幅度大于碳排放重心的变化幅度(表 2)。表明湖南经济发展重心的变动比碳排放重心剧烈, 两者的偏移主要是由东西方向上的经济发展与碳排放的变动引起的。
3.3.3 与几何中心的偏离几何中心是区域在空间上的均衡点, 碳排放重心和经济发展重心与几何中心的偏离程度能够反映区域碳排放与经济发展分布的空间均衡程度。从图 3可以看出, 碳排放重心总体偏移几何中心的距离由2008年的82.71 km下降到2014年的68.65 km, 重心在东西方向出现突变, 且不断靠近几何中心, 但仍偏离几何中心较远, 表明湖南各区域碳排放差异较大。从变化态势看, 碳排放重心的经度偏移与总偏移相关性极强, 两者几近重合, 双尾检测的相关系数为0.996, 在α=0.01水平上显著; 而碳排放重心纬度偏移与总偏移相差较大, 且纬度偏移曲线波动相对平缓, 表明碳排放重心在南北方向上的格局趋于稳定。由此可以得出, 来自东西方向上的碳排放差异产生的驱动力是造成湖南整体碳排放不均衡的主要原因。
经济发展重心相对于几何中心而言, 总体偏移距离由2008年的73.94 km下降到2014年的72.41 km, 年均下降仅0.26 km, 说明经济发展重心仍偏离几何中心较远。图 3显示, 经济发展重心的经度偏移与总偏移变化极为相似, 双尾检测的相关系数为0.988, 并在α=0.01水平上显著; 经济发展重心的纬度偏移与总偏移差异较大, 但波动微小。说明来自经度方向上的经济发展变动是影响湖南经济发展均衡性的重要原因, 而经济发展重心在南北方向上的空间格局趋于均衡。
3.4 碳排放与经济发展的相关分析前述分析已经表明, 湖南省碳排放重心与经济发展重心在经纬度上的变化具有一定的相关性, 说明碳排放与经济发展之间有着较强的联系。由于各市域地理位置、经济基础、产业结构和所处阶段等不同, 其碳排放与经济发展的关系必然存在一定的差异。当某个市域的碳排放或经济发展所占比例较大或增长较快时, 重心就会向该市域移动, 从而使重心处于变化之中。为进一步分析碳排放与经济发展之间的关系及其相互作用, 根据各市域碳排放与经济发展的变化特征(图 4)以及碳排放与经济发展的拟合关系(表 3), 将湖南14个市域的碳排放分为3种类型。
第1种类型为前升后降型, 包括长沙、株洲、湘潭、永州、郴州、常德、衡阳和益阳8个市(图 4), 其碳排放与经济发展呈指数关系, 即前期(2008—2011年)经济增长对碳排放起推动作用, 两者均呈增长趋势; 而后期(2011—2014年)碳排放随经济增长呈缓慢下降趋势。这说明近年来湖南在推进新型工业化过程中, 上述城市通过政策引导和产业转型升级有效地控制了高耗能行业的碳排放, 使得经济增长对碳排放的依赖度降低。
第2种类型为持续下降型, 包括怀化、湘西自治州和张家界, 碳排放与经济发展呈显著线性负相关, 经济发展对碳排放的推动作用微弱,原因是能源消费碳排放量的高低与产业结构密切相关, 怀化、湘西自治州和张家界主要为旅游型城市, 支柱产业多为第一产业或第三产业, 绿色农业和低碳旅游业发展迅速, 使得经济增长对高能耗、高排放的产业依赖程度一直在降低。
第3种类型为持续上升型, 包括岳阳、娄底和邵阳, 经济增长对碳排放具有明显的推动作用, 两者表现为显著线性正相关, 其中岳阳和娄底的推动作用最为明显。这是因为岳阳和娄底等市域经济发展以传统的高耗能产业(如石化、建材、冶金和电力等)为主导, 而新型工业化则处于起步阶段, 传统的高耗能行业仍是主导经济发展的关键动力, 如冶炼、建材生产和石化等综合能耗仍处于同比上升阶段, 从而导致经济增长对碳排放的依赖较大。
4 结论与讨论通过引入重心模型, 对比分析了湖南2008—2014年碳排放重心与经济发展重心的演变特征及其在经纬度上变化的相关性, 构建了碳排放与经济发展之间的相关方程, 得出以下结论:
(1) 碳排放重心与经济发展重心均偏离几何中心, 且两者的移动轨迹具有明显的阶段性; 碳排放重心的格局形成具有较大的波动性, 经济发展重心的格局则相对简单明晰。
(2) 在经度方向上, 碳排放重心与经济发展重心大致经历了2个发展阶段, 2008—2011年表现为同落同涨的现象, 2011年后两者呈现相反的发展态势; 在纬度方向上, 碳排放重心与经济发展重心也经历了2个发展阶段, 2008—2010年两者重心同步向低纬度移动, 2010年以后两者发展态势出现分化。
(3) 碳排放重心整体向西偏北移动, 而经济发展重心则向西偏南移动, 两者的偏移主要发生在东西方向上, 其中经济发展重心的变动比碳排放重心剧烈; 在南北方向上, 碳排放重心与经济发展重心的空间格局均趋于均衡。说明来自东西方向上的经济发展与碳排放变动形成的驱动力是造成湖南整体碳排放和经济发展不均衡的主要原因。
(4) 根据各市域碳排放与经济发展关系的表现形式以及相互作用的强弱差异, 可将湖南14个市域分为3类, 即碳排放前升后降型、碳排放持续下降型和碳排放持续上升型。
碳排放重心与经济发展重心的动态演变是区域碳排放和经济发展水平差异性与均衡性的空间直观体现, 对促进区域经济与环境保护的协同发展具有重要的参考价值。笔者认为, 碳排放重心与经济发展重心具有一定的相关关系, 经济增长是导致碳排放增长的重要因素, 但碳排放重心与经济发展重心在转移过程中出现了偏移。这在一定程度上说明, 湖南部分快速经济增长的地区并没有带来碳排放的急剧增长, 即经济增长对不同地区碳排放增长的效应并不相同。因此, 为更好地服务于湖南社会经济与环境战略, 实现低碳发展, 就需要根据各市域自身碳排放与经济发展的表现形式及相互作用的强弱制定相关政策, 加强碳排放重心转移的驱动因素以及碳排放重心与经济发展重心之间的相互作用及耦合机理的研究。
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